國外甚小衛星發展研究

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國外甚小衛星發展研究

Study on Foreign Very Small Satellites

張召才（北京空間科技信息研究所）

近年來，全球小衛星（發射質量低于500kg）發展態勢強勁，發射數量逐年大幅增長，已成為世界航天活動的主要構成部分之一。隨著微光機電系統技術、微納加工技術以及創新系統設計理念、創新系統運營模式不斷發展，小衛星進一步朝著微小型化發展，在成本更低、周期更短、發射更便捷等需求驅動下，200kg以下小衛星逐漸成為發展最活躍的領域。

1　國外甚小衛星呈持續高漲發展態勢

國際上對小衛星（SmallSat）的分類主要以衛星質量為依據，一般情況下，將迷你衛星（MiniSat）、微衛星（MicroSat）、納衛星（NanoSat）、皮衛星（PicoSat）和飛衛星（FemoSat）統稱為小衛星，即質量低于500kg的衛星稱為小衛星。美國航空航天局（NASA）在實施小衛星技術計劃時提出，質量低于200kg的甚小衛星（Very Small Satellite）在創新技術驗證、創新衛星應用等方面具有較大優勢，是小衛星的重要發展領域。筆者在本文中采納甚小衛星概念，以200kg以下甚小衛星為研究對象。

國外衛星分類方式

2010-2014年，全球航天器發射數量呈快速增長趨勢，甚小衛星是全球航天快速發展的主要驅動力量和重點發展領域。5年間，全球共成功將857個航天器發射進入預定軌道，其中，甚小衛星共計359顆，約占同期入軌航天器總數的42%，占比超過40%。

2010-2014年全球成功發射甚小衛星數量統計

微、納、皮、飛衛星發展高度活躍，推動甚小衛星總量驟漲

2013年和2014年，甚小衛星發射總數驟然躍升，占比達到全年發射總數的50%以上。其中，微衛星、納衛星、皮衛星和飛衛星發展高度活躍，推動甚小衛星發射總數驟漲。2015年6月，美國北方天空研究所（NSR）咨詢公司發布了其第二版《微納衛星市場》報告，預測未來十年全球將發射100kg以下微納衛星超過2500顆。老牌和新興航天公司均涌向小衛星市場，利用低成本微納衛星發展對地觀測、科學、空間態勢感知等業務。

2010-2014年全球成功發射甚小衛星質量分布統計

美、歐是甚小衛星發射主力軍，新興國家借此打破航天空白

從甚小衛星所屬國家看，美國、歐洲和日本近5年發射的甚小衛星數量最多，依次位列全球前三位。其中，美國發射數量遙遙領先其他國家，約占同期全球發射甚小衛星總數的53.5%，彰顯出美國利用甚小衛星創新空間技術和發展創新應用的全球引領地位。此外，秘魯、奧地利、厄瓜多爾、烏拉圭等新興航天國家開始借助甚小衛星開展本國航天活動，實現了本國衛星發射零的突破，推動了航天技術在全球普及，加深了航天在世界范圍內的影響，在全球掀起一場“軌道革命”。

2010-2014年各主要航天國家發射甚小衛星占比

甚小衛星從技術試驗邁向業務化發展

隨著甚小衛星單星性能、在軌壽命不斷提高，以及星地一體化設計理念、星座編隊飛行能力發展，甚小衛星應用領域不斷拓展，開始從技術試驗向對地觀測、通信廣播、空間科學與深空探測等領域延展。一方面，盡管科學與技術試驗仍是甚小衛星主要的應用領域，但其不再只局限于元器件、部組件測試等傳統應用，開始為業務型對地觀測、通信廣播等應用衛星系統開展全系統空間試驗和功能驗證。另一方面，甚小衛星在中高分辨率光學遙感成像、存儲轉發通信和數據采集等領域中的應用顯著發展。

2010-2014年甚小衛星應用領域占比

甚小衛星商業應用是未來最大增長極

由于成本低、周期短、發射便捷等特點，甚小衛星是各國政府研究機構和高校開展前沿技術創新的重要領域。同時，隨著業務能力不斷提升，甚小衛星的軍事應用和商業價值也獲得廣泛關注。2014年，俄羅斯發布的《俄羅斯2030軍事技術裝備發展戰略》提出，俄羅斯面臨的主要軍事威脅之一是“主要國家加緊發展包括以各種（作戰、偵察等）小型衛星和納米衛星為基礎的航天技術”。2010-2014年，全球共發射100顆商用甚小衛星、59顆軍用甚小衛星和200顆民用甚小衛星，占比分別為28%、16%和56%。特別是隨著風投、眾籌等多元化投融資方式在航天領域興起，未來商用甚小衛星發展將進一步呈現繁榮增長趨勢。

2　國外甚小衛星邁入實用化發展階段

早在2 0 0 8年，美國富創咨詢公司就發布了一篇關于低成本甚小衛星的市場調研報告，認為100～200kg范圍小衛星“技術發展開辟了除傳統的技術論證領域之外的其他市場”。富創咨詢公司對30多個潛在的應用領域進行調查后提出，甚小衛星最具發展前景的6個領域包括軍事科學和技術，情報、監視和偵察，偏遠地區通信，數據采集，高分辨率地球觀測以及環境監測。

目前，國外甚小衛星已發展為衛星體系的重要構成部分。各類應用衛星向更加注重效費比的小型化方向發展已成趨勢，甚小衛星逐步突破以科學與技術試驗為主要用途的傳統思維，應用領域不斷拓寬。并且，隨著云計算、大數據等信息技術與空間技術相結合，國外涌現出大量基于甚小衛星的大規模星座，發展面向消費市場的創新衛星應用模式和服務模式。

甚小衛星星座組網，可大幅縮短對地觀測重訪周期

在對地觀測領域，甚小衛星可以星座組網方式大幅縮短重訪周期乃至實現全球實時觀測。美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）計劃構建由24顆單星質量僅91kg的小衛星構成的高分辨率對地觀測星座—“天空衛星”（SkySat），具備8h全球數據更新能力，可拍攝0.9m分辨率的可見光圖像和1.1m分辨率的高清視頻，提供基于云平臺的遙感數據在線服務，推動對地觀測數據應用從單幅圖像處理向時序數據分析轉變；美國行星實驗室公司（Planet Labs）構建了全球首個運營級納衛星光學遙感星座，分辨率3～5m，采用“永遠在線”（Always On）工作模式，星座可自動對陸地成像，并基于硅谷敏捷開發、敏捷測試等互聯網思維研制衛星，開辟了甚小衛星低成本研制的新模式；日本東北大學發射了雷神-2（Rising-2）對地觀測衛星，多光譜分辨率5m，用于研究地球積雨云和上層大氣閃電現象。

此外，美國地理光學公司（GeoOptics）、斯派爾公司（Spire）等均計劃于近兩年發射基于無線電掩星技術的商業氣象多星星座，面向美國政府和大眾市場提供商業氣象數據及相關服務。地理光學公司計劃發展由24顆單星質量低于100kg的甚小衛星構成的“連續地球遙感觀測一致性倡議”（CICERO）星座；斯派爾公司計劃于2015年底部署完成由20顆3U立方體衛星構成的商業氣象衛星星座，并隨后逐步將星座規模擴展至100顆衛星以上，以改善氣象預報的準確性。

甚小衛星一般聚焦用戶實際需求，面向任務設計，具有功能專一化優勢，可以提供任務定制和快速響應服務。美國陸軍在“作戰響應空間”（ORS）計劃及快響理念帶動下，啟動了“隼眼”（Kestrel Eye）衛星項目，以30kg甚小衛星為平臺支撐軍兵種能力需求，發展快速響應空間能力，探索驗證了航天裝備直接服務戰區、滿足戰術需求的新型應用模式。“隼眼”星座由30顆衛星組成，分辨率1.5m，從基層作戰部隊提出成像請求到分發圖像可在10min內完成，支持基于“虛擬任務操作中心”（VMOC）系統的“即指即拍”（Point and shoot）作戰概念，基層指揮官利用界面化便捷終端即可完成作戰任務規劃、數據接收、處理和分發操作。2015年6月，美國黑天全球公司（BlackSky Global）提出發展60星低軌光學遙感成像星座，單星質量60kg，設計壽命3年，軌道高度450km。衛星具有在軌推進能力，采用工業級相機，分辨率約1m，側擺角±30°。星座預計將于2019年建設完成，屆時可以在90min內獲得全球95%區域的衛星遙感圖像。此外，黑天全球公司構建了基于互聯網的衛星指控系統，用戶只需登錄系統，即可通過地圖點選的方式直接對衛星下達成像指令。整體看，黑天全球公司提出的商業星座堪稱美國國防高級研究計劃局（DARPA）“軍事作戰使能效果”（SeeMe）星座的商用版本。

美國地理光學公司的“連續地球遙感觀測一致性倡議”衛星組裝圖

美國斯派爾公司工作人員展示衛星結構

美國“隼眼”衛星圖

美國黑天全球公司組裝衛星

通信應用發展活躍，大規模互聯網星座發展最為矚目

在通信領域，甚小衛星在降低成本和通信時延方面優勢顯著，美國和歐洲基于甚小衛星發展了存儲轉發、寬帶互聯網接入以及數據采集服務。

美國“軌道通信”（Orbcomm）星座開啟新一輪更新換代，第2代“軌道通信衛星”（Orbcomm－OG2）星座首批6顆衛星成功發射入軌，單星質量157kg，衛星功率670W，在保持數據存儲轉發能力的基礎上，增加船舶自動識別系統（AIS），用于海上客輪和貨輪（300t以上）跟蹤與識別。據預測，隨著6顆第2代衛星發射入軌，軌道通信公司“船舶自動識別系統”業務的年收入將達到600萬美元，并將逐漸提升至1000萬～1500萬美元。歐洲大力發展甚小衛星廣播式自動相關監視系統（ADS-B），擴大對民航飛機飛行的監視范圍，尤其是海域和極地上方，提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率，目前已完成星載有效載荷驗證，后續將逐步推進低軌道甚小衛星星座業務化應用。

除存儲轉發、數據采集業務外，通信領域掀起超大規模星座發展熱潮，聚焦發展天基寬帶互聯網接入業務。英國一網公司（Oneweb）繼續推動其低軌Ku頻段通信星座項目，計劃在1200km高的軌道部署648顆小衛星，單星質量低于150kg，成本低于50萬美元。這些衛星將運行在20個軌道面，提供全球覆蓋服務。2015年6月22日，一網公司將其低軌寬帶互聯網星座研制合同授予歐洲空客防務與航天公司。該合同是迄今為止全球最大的商業衛星制造訂單。根據合同協議，雙方將組建一家合資企業建造900顆互聯網廣播衛星，星座計劃于2018年開始發射。此外，美國太空探索技術公司（SpaceX）創始人伊隆·馬斯克（Elon Musk）宣布，將在美國西雅圖建造衛星制造廠，計劃制造并發射由4000顆小衛星構成的低軌通信星座，提供全球寬帶互聯網服務。據馬斯克透露，太空探索技術公司已向國際電信聯盟（ITU）遞交了頻率申請書。

美國第2代“軌道通信衛星”星座衛星進行地面測試

英國一網公司的互聯網廣播衛星示意圖

3　結束語

迅速增長的市場需求、不斷變革的新興技術給甚小衛星發展帶來了前所未有的機遇，推動著世界航天技術的發展和在更大范圍內的應用。隨著信息技術與空間技術不斷融合，未來將涌現更多基于甚小衛星的創新應用模式，推動衛星應用從面向專業用戶，逐步向行業用戶和消費用戶發展。但也要看到，甚小衛星作為當前衛星體系的重要補充部分，其任務設計與大、中型衛星各有分工，發展甚小衛星不應以取代大衛星為前提。并且，質量低于10kg的甚小衛星姿態軌道控制技術尚不成熟，一般不具備主動離軌能力，亟需高度關注此類甚小衛星的軌道設計，避免產生空間碎片，影響其他在軌航天器安全。